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JP2880925B2 - 水素燃焼ガスタービンプラント - Google Patents

水素燃焼ガスタービンプラント

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Publication number
JP2880925B2
JP2880925B2 JP7030727A JP3072795A JP2880925B2 JP 2880925 B2 JP2880925 B2 JP 2880925B2 JP 7030727 A JP7030727 A JP 7030727A JP 3072795 A JP3072795 A JP 3072795A JP 2880925 B2 JP2880925 B2 JP 2880925B2
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JP
Japan
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temperature heat
low
temperature
steam
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岩太郎 佐藤
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/005Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the working fluid being steam, created by combustion of hydrogen with oxygen
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/08Semi-closed cycles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/22Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being gaseous at standard temperature and pressure

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は水素を燃料とするガスタ
ービンを用いた水素燃焼ガスタービンプラントに関す
る。
【0002】
【従来の技術】一般に、水素を燃料とするガスタービン
プラントは、従来の化石燃料を用いたプラントとは異な
り、地球温暖化の原因とされている炭酸ガス(CO2
を排出しないため、新しい世代のクリーンエネルギー源
として注目されている。また、水素は燃焼した後に不活
性な水蒸気となるために、水蒸気または他の不活性なガ
スを作動流体としたクローズドサイクルで利用すると、
高温酸化による問題を回避することができる。現在の化
石燃料を用いるオープンサイクルガスタービンプラント
は、燃料により生じた酸化ガスや、作動流体に相当量残
存する酸素が原因で作動流体が高温酸化し、この高温酸
化による高温部品の劣化が問題となっている。
【0003】高温酸化は、タービンを構成する部品、特
に作動流体に接する部品の温度が高くなるほど進行が速
くなる。このため、当該部品に対しては冷却を行う必要
があるが、この冷却に使用する冷却媒体が増加するほ
ど、ガスタービンプラントの熱効率は低下することが知
られており、現に作動流体の高温化に伴い、少ない冷却
媒体量で冷却を行うための技術開発が盛んに行われてき
た。
【0004】一方、ガスタービンプラントでは、最高温
度を高めるほど熱効率が上昇することが知られており、
前述の冷却技術開発の成果と併せて、この最高温度は近
年加速度的に上昇してきた。しかしながら、冷却に対す
る技術開発にも最近では限界が見られ、最高温度を上昇
させることで得られる熱効率の上昇分が、冷却媒体量の
増加に伴う熱効率の低下に見合わなくなってきており、
最高温度の上昇は頭打ちになろうとしている。
【0005】水素を燃料とする発電プラントは、別の意
味でも注目されている。すなわち、水素は電力があれ
ば、化石燃料とは異なり、どのような場所でも生産が可
能であるという点である。このことは、水力等の潜在的
な電力資源が豊富にも拘らず、それを必要とする産業・
民需が不足している発展途上国が、水素というエネルギ
ー源を生産し輸出することにより産業の活性化を図るこ
とが可能であるということである。
【0006】以上の点より、水素を燃料とした発電シス
テムは注目されており、我が国でも国家プロジェクトと
して、水素の生産から輸送・貯蔵、そして利用の技術の
研究開発がスタートしている。
【0007】このように非常に注目されている水素を燃
料としたガスタービン発電プラントの従来技術の一例を
図6に示す。
【0008】図6に示される発電プラントシステムの作
動流体は全て水蒸気または水で、大きく分けて2つの部
分に分類される。
【0009】その1つは圧縮機1、燃焼器5および背圧
タービン2から構成されるブレイトンサイクルの部分で
あり、この中の作動流体は全て水蒸気である。
【0010】まず、圧縮機1で圧縮された高温・高圧の
水蒸気は燃焼器5に導かれた後、この燃焼器5に水素と
酸素からなる燃料13が投入され、さらに高温にされ
る。この非常に高温・高圧な水蒸気は背圧タービン2に
導かれ、膨張し高温・低圧の水蒸気になる一方、出力軸
14を介して圧縮機1を駆動するとともに、発電機6を
駆動し電力を発生させる。背圧タービン2から出た高温
・低圧の水蒸気は高温熱交換器7および低温熱交換器8
を経て、冷却され低温・低圧の水蒸気となり、再び圧縮
機1に導かれる。
【0011】発電プラントシステムを構成するもう1つ
の部分は高圧タービン4と燃焼器5、背圧タービン2、
復水タービン3、復水器9、復水ポンプ10および加圧
ポンプ11である。この部分はランキンサイクルの部分
であり、作動流体は水と水蒸気である。
【0012】まず、加圧ポンプ11で昇圧された水は低
温熱交換器8と高温熱交換器9を経て加熱され、高温で
非常に高圧の蒸気となる。この高温で非常に高圧の蒸気
は高圧タービン4で膨張し、低温で高圧の蒸気となる。
そして燃焼器5に導かれ、水素と酸素からなる燃料13
が投入されて非常に高温にされる。この非常に高温・高
圧な水蒸気は、背圧タービン2に導かれ、膨張し高温・
低圧の水蒸気になる。そして、この高温・低圧の蒸気は
高温熱交換器7で冷却された後に、復水タービン3に導
かれ膨張し、低温で非常に低圧の水蒸気となる。この低
温で非常に低圧の水蒸気は復水器9に導かれ、水に戻さ
れ復水ポンプ10により移送される。この水は一部を排
水12として系外に排出した後に再び加圧ポンプ11に
導かれる。
【0013】この排水12は、燃料13として投入され
る水素と酸素が反応して生成される水蒸気と同じ量であ
り、結果としてサイクル内を循環する水および水蒸気の
総量は一定値に保たれる。また、高圧タービン4と背圧
タービン2、復水タービン3からの出力は出力軸14に
より発電機6を駆動し、電力を発生させる。
【0014】水素燃焼を行うガスタービンプラントにお
いては、水素を製造するコストが化石燃料を製造するコ
ストを現状では上回るため、化石燃料を使用する従来型
のガスタービンプラントよりも高い効率を達成しなけれ
ば実用的ではない。したがって、従来型のガスタービン
プラントよりも高い最高温度としなければならない。こ
のため、高温酸化に対して抜本的な対策を施す必要が生
じるが、図6に示されるサイクルは水蒸気という不活性
な作動流体を用いることで解決している。
【0015】しかしながら、上記のようなガスタービン
発電プラントでは、高温の水蒸気を作動流体としてター
ビンを駆動する点において問題がある。すなわち、水蒸
気は従来型のガスタービンプラントの作動流体である燃
焼空気よりも比熱が非常に大きいために、冷えにくいと
いう性質がある。このため、タービンの段落数、特に冷
却が必要な段落数が増加する。
【0016】このタービンの冷却段落数の増加は、シス
テム全体の熱効率を低下させることが知られており、現
にタービンに冷却段落を採用するようになってからは、
冷却を行う以前と比較して少ない段落数を採用するよう
になっている。水蒸気を作動流体とした場合の冷却段落
数は、従来型と比較して2倍以上となるため、このサイ
クルでは最高温度を上昇させた効果を、相殺してしま
う。
【0017】また、水蒸気はこのサイクルのように、非
常に高温な状態で使用すると水蒸気腐食を生じ、作動流
体に接する部品の急激な劣化を引き起こすことが生じ
る。したがって、長時間運転に対する信頼性という点で
も問題がある。
【0018】そこで、この問題を解決するために案出さ
れた従来例を図7に示す。
【0019】図7に示されるプラントシステムの作動流
体はほとんどが不活性ガスである。不活性ガスに燃料と
して投入される酸素と水素が反応して生じる水蒸気また
は水が混合している。
【0020】まず、圧縮機1で圧縮された不活性ガス
は、再生熱交換器15に導かれ加熱された後に、燃焼器
5に導かれる。そして、燃焼器5では水素と酸素からな
る燃料13が投入された非常に高温で高圧の不活性ガス
と水蒸気の混合ガスとなる。この非常に高温で高圧の混
合ガスは背圧タービン2に導かれ、膨張して高温で低圧
の混合ガスとなる一方、出力軸14を介て圧縮機1を駆
動するとともに、発電機6を駆動し電力を発生させる。
【0021】背圧タービン2からの高温で低圧の混合ガ
スは再生熱交換器15に導かれ、一旦冷却された後、排
熱回収ボイラ(以下、HRSGという。)16に導かれ
てさらに冷却され、低温で低圧の混合ガスとなる。この
低温で低圧の混合ガスは復水器9に導かれ、さらに冷却
され、含有する水蒸気の露点以下の温度になる。そして
水蒸気は水となり排水12として系外に排出される。水
が分離された後の不活性ガスは再び圧縮機1に導かれ
る。
【0022】また、HRSG16では、混合ガスから得
られた熱で蒸気を発生させ、図には示されていない蒸気
タービンを駆動させ電力を発生させる。
【0023】このプラントシステムにおいては、不活性
ガスに従来型のガスタービンプラントの作動流体である
燃焼ガスと比熱が同等のもの、例えばアルゴンや窒素を
用いることにより従来型と同等のタービンの冷却段落数
とすることができる。このため、図6に示す発電プラン
トシステムで生じた冷却段落数が増加するという問題点
は生じない。また、作動流体に含まれる水蒸気の割合
は、図6に示すサイクルと比較して非常に少ないため、
水蒸気腐食に対する問題もある程度解決できる。
【0024】しかしながら、図6のシステムでは系内を
循環する作動流体の一部を復水器9に通すのみである
が、図7のシステムでは系内を循環する作動流体の全て
を復水器9に通す。また、HRSG16で発生した蒸気
も最終的には図には示されていない復水器に通す。
【0025】図6および図7に示されるシステムは基本
的にはクローズドサイクルシステムであるため、系外に
放出される熱量は復水器9から放出される熱量のみであ
る。したがって、復水器9から放出される熱量が少ない
ほどプラントの熱効率は上昇する。図7に示されるプラ
ントシステムは、図6に示されるものよりも多く、冷却
段落数を従来型と同等とできる効果を相殺してしまう。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来例
として示した水素を燃料とするガスタービンプラントに
おいては、作動流体を全て水蒸気または水とすると、冷
却タービンの段落数が増加することにより、プラントの
熱効率が減少するという問題点が生じている。また、水
蒸気腐食により長時間運転に対する信頼性が低下すると
いう問題点も生じている。
【0027】一方、作動流体に不活性ガスを用いると系
内の作動流体全てを復水器9に通すため、放出する熱量
が増加しプラントの熱効率が減少するという問題点が生
じている。
【0028】そこで、本発明は上記事情を考慮してなさ
れたもので、冷却タービンの段落数を増加させず、水蒸
気腐食に対する問題を解決し、さら系内の作動流体の一
部のみを復水器に通すことにより、プラントの熱効率を
向上させる水素燃焼ガスタービンプラントを提供するこ
とを目的とする。
【0029】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の請求項1では、不活性ガスを作動流体と
したブレイトンサイクルと、水素と酸素を燃焼させた結
果発生する水蒸気を作動流体としたランキンサイクルと
から構成され、上記ブレイトンサイクルの高温熱源は、
高温熱交換器によりランキンサイクル側から供給される
供給熱とする一方、上記ブレイトンサイクルの低温熱源
は、低温熱交換器によりランキンサイクル側に吸収され
る吸収熱としたことを特徴とする。
【0030】請求項2では、請求項1記載のブレイトン
サイクル側は、圧縮機、高温熱交換器、背圧タービンお
よび低温熱交換器の順に接続してクローズドサイクルを
構成する一方、ランキンサイクル側は、高温熱交換器、
高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、復水器お
よび復水ポンプの順に接続するとともに、この復水ポン
プから排水する間に分岐管を設け、この分岐管に加圧ポ
ンプ、上記高温熱交換器の順に接続してクローズドサイ
クルを構成したことを特徴とする。
【0031】請求項3では、請求項2記載の水素燃焼ガ
スタービンプラントにおいて、ブレイトンサイクル側の
低温熱交換器と圧縮機との間に、冷却器を介装したこと
を特徴とする。
【0032】請求項4では、請求項1記載のブレイトン
サイクル側は、圧縮機、高温熱交換器、背圧タービンお
よび低温熱交換器の順に接続してクローズドサイクルを
構成する一方、ランキンサイクル側は、高温熱交換器、
高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、復水器お
よび復水ポンプの順に接続し、上記ブレイトンサイクル
側の背圧タービンに必要な冷却媒体として、上記ランキ
ンサイクル側の高圧タービンと低温熱交換器との間の蒸
気を用い、再び上記ランキンサイクル側に戻すことを特
徴とする。
【0033】請求項5では、請求項2または3記載の水
素燃焼ガスタービンプラントにおいて、ランキンサイク
ル側の高温熱交換器の上流側に酸素封入器を設置し、作
動流体に酸素を溶け込ませたことを特徴とする。
【0034】
【作用】本発明の請求項1の特徴を有するプラントであ
れば、プラントの最高温度は不活性ガスを作動流体とし
たブレイトンサイクル側にあるため、冷却タービンの段
落数を従来型と同レベルとすることができ、冷却段落の
増加によるプラント熱効率の低下を防ぐことができる。
【0035】そして、復水器を通過する作動流体の流量
は、系内の一部であるため、放出する熱量の増加、ひい
てはプラントの熱効率の低下を防ぐことができる。
【0036】また、プラントの最高温度は不活性ガスを
作動流体としたブレイトンサイクル側にあるため、水蒸
気腐食による長時間運転に対する信頼性の低下を極度に
防止することができる。
【0037】よって、図6および図7で示した従来のプ
ラントと比較して、プラント熱効率を上昇させ、さらに
長時間運転に対する信頼性を向上させることができる。
【0038】さらに、請求項2によれば、ランキンサイ
クル側とブレイトン側の作動流体の流量比を自由に調節
することができる。流量比を調節することができない場
合、ランキンサイクル側とブレイトン側の各機器の圧
力、温度は、高温熱交換器と低温熱交換器を通して授受
される熱量のみで決定されてしまうため、必ずしも熱効
率の上で最適な運転点を選定できない可能性がある。請
求項2の構成により、流量比の調節機能を持たせること
で、この問題点を解決し、さらにプラントの熱効率を高
めることができる。
【0039】しかしながら、請求項1および請求項2の
構成を有するプラントでは、圧縮機の入口の温度は、ラ
ンキンサイクル側の高圧タービンの出口温度程度とな
る。ランキンサイクル側の作動流体である蒸気は露点以
下での使用には問題があるため、ある程度の温度以下で
は使用できない。したがって圧縮機の入口温度もこの温
度以下では使用できないが、この温度は現在の化石燃料
を用いたガスタービンプラントの圧縮機入口温度を遥か
に上回る。ガスタービンは圧縮機の入口温度が上昇する
ほど出力が低下するという特徴を持つため、請求項1お
よび請求項2の構成を有するプラントでは、同じ規模の
現在の化石燃料を用いたガスタービンプラントよりも低
い出力しか出せない。
【0040】そこで、請求項3においては、ブレイトン
サイクル側の低温熱交換器と圧縮機との間に冷却器を介
装し、圧縮機入口の温度を下げることにより、現在の化
石燃料を用いたガスタービンプラントと同等、またはそ
れ以上の出力を得ることができる。
【0041】ブレイトンサイクルの背圧タービンは、冷
却が必須であるが、従来のプラントでは冷却媒体として
ブレイトンサイクル内の作動流体、例えば圧縮機の途中
または出口の作動流体を使用することが一般的であっ
た。しかしながら、この方法を用いた場合タービンの通
路部内部に冷却媒体を放出し主流と混合させることにな
るが、この混合により圧力損失が生じ、タービンの断熱
効率を低下させ、ひいてはプラントの熱効率の低下の要
因となる。
【0042】そこで、請求項4のように、ランキンサイ
クル側の作動流体、例えば高圧タービンと低温熱交換器
との間の蒸気を使用し、再びランキンサイクル側に戻す
ことにより、この混合による圧力損失を防止させること
ができる。
【0043】一般に、水または水蒸気を用いる発電プラ
ントにおいては、スケールの付着により系統および各機
器の圧力損失が経年的に増加し、プラント熱効率を低下
させてしまうという問題点がある。これは、水または水
蒸気に酸素を封入することで、ある程度防止できること
が知られている。しかしながら、酸素を封入すること
は、高温で使用される機器に適用した場合に、高温酸化
を生じさせるという問題点がある。
【0044】そこで、請求項5のように、ランキンサイ
クル側の高温熱交換器の上流側に酸素封入器を設置し、
作動流体である水に酸素を溶け込ませることにより、ス
ケールの付着を防止する一方、封入した酸素を高温熱交
換器またはその上流で、供給される水素と反応させるこ
とで不活性な水蒸気に変換され、高温酸化を防止するこ
とができる。
【0045】
【実施例】以下、本発明に係る水素燃焼ガスタービンプ
ラントの実施例を図面を参照して説明する。なお、従来
の構成と同一の部分には同一の符号を用いて説明する。
【0046】[実施例1]図1は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例1を示す構成図である。
【0047】(実施例1の構成)図1に示されるプラン
トシステムは大きく分けて2つの部分から構成される。
その1つは圧縮機1、高温熱交換器7、背圧タービン
2、低温熱交換器8を順次接続して構成されるブレイト
ンサイクルの部分であり、このサイクルの作動流体は不
活性ガス、例えばアルゴンガスまたは窒素等である。
【0048】システムを構成するもう1つの部分は高温
熱交換器7、高圧タービン4、低温熱交換器8、復水タ
ービン3、復水器9および復水ポンプ10が順次接続さ
れている。この部分はランキンサイクルの部分であり、
このサイクルの作動流体は水蒸気と水である。
【0049】すなわち、本実施例は、不活性ガスを作動
流体としたブレイトンサイクルと、水素と酸素を燃焼さ
せた結果発生する水蒸気を作動流体としたランキンサイ
クルとから構成され、これらの作動流体は高温熱交換器
7および低温熱交換器8を介して熱の授受が行われるだ
けで、直接混合することがない。
【0050】そして、ブレイトンサイクルの高温熱源
は、高温熱交換器7によりランキンサイクル側から供給
される供給熱とする一方、ブレイトンサイクルの低温熱
源は、低温熱交換器8によりランキンサイクル側に吸収
される吸収熱としている。
【0051】(実施例1の作用)ブレイトンサイクル側
では、圧縮機1で圧縮された高温・高圧の不活性ガスは
高温熱交換器7に導かれて加熱され、非常に高温で高圧
の不活性ガスとなる。この非常に高温で高圧の不活性ガ
スは、背圧タービン2に導かれて膨張し高温・低圧の不
活性ガスになる一方、出力軸14を介して圧縮機1を駆
動するとともに、発電機6を駆動して電力を発生させ
る。背圧タービン2から出た高温・低圧の不活性ガス
は、低温熱交換器8に導かれて冷却され、低温・低圧の
不活性ガスとなり、再び圧縮機1に導かれる。
【0052】他方、ランキンサイクル側では、燃料13
として供給される水素と酸素は高圧に加圧され、高温熱
交換器7に供給され燃焼を行い、ブレイトンサイクル側
に熱を供給し、高温・高圧の水蒸気となる。この高温・
高圧の水蒸気は高圧タービン4で膨張し、低温で低圧の
水蒸気となる。この低温で低圧の水蒸気は低温熱交換器
8でブレイトンサイクル側から加熱され、高温で低圧の
水蒸気となる。この高温・低圧の水蒸気は復水タービン
3で膨張し、非常に低圧で低温の水蒸気となる。この非
常に低温で低圧の水蒸気は復水器9に導かれ冷却され水
となる。そして復水ポンプ10により、排水12として
系外に放出される。
【0053】(実施例1の効果)このように本実施例に
よれば、最高温度は背圧タービン2の入口となり、背圧
タービン2の作動流体は不活性ガスであるため、冷却タ
ービンの段落数を従来型と同レベルとすることができ、
冷却段落数の増加によるプラント熱効率の低下を防ぐこ
とができる。
【0054】また、復水器9を通過する作動流体の流量
は系内の作動流体全体の一部であるため、放出する熱量
の増加、ひいてはプラントの熱効率の低下を防ぐことが
できる。したがって、図6および図7で示した従来のプ
ラントと比較してプラント熱効率を上昇させることがで
きる。
【0055】さらに、プラントの最高温度は不活性ガス
を作動流体としたブレイトンサイクル側にあるため、水
蒸気腐食による長時間運転に対する信頼性の低下を極度
に防止することができる。
【0056】[実施例2]図2は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例2を示す構成図である。
既に説明した実施例1と同一の部分には同一の符号を付
し、実施例1と異なる構成および作用についてのみ説明
する。以下の各実施例についても同様である。
【0057】(実施例2の構成)本実施例は、実施例1
のランキンサイクル側に復水ポンプ10から排水12の
間に分岐管20を設け、この分岐管20から加圧ポンプ
11を経由して高温熱交換器7に至る経路21を設け、
クローズドサイクルを形成したものである。
【0058】(実施例2の作用)実施例1の作用に加え
て、排水12の上流側で分岐した水は加圧ポンプ11に
より加圧され、高温熱交換器7に導かれる。
【0059】そして、高温熱交換器7における水は、燃
料13として供給される水素および酸素の燃焼により加
熱されると同時に、ブレイトンサイクル側に熱を供給
し、高温・高圧の水蒸気となる。
【0060】(実施例2の効果)実施例1の構成では、
ランキンサイクル側とブレイトンサイクル側の各機器の
圧力、温度は高温熱交換器7と低温熱交換器8を通して
授受される熱量のみで決定されてしまうため、必ずしも
熱効率の上で最適な運転点を選定できない可能性があ
る。これに対し、実施例2の構成によりランキンサイク
ル側とブレイトンサイクルの作動流体の流量比を自由に
調節することができる。これにより各機器の運転点を熱
効率の上で最適なものに選定することができる。
【0061】[実施例3]図3は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例3を示す構成図である。
【0062】(実施例3の構成)本実施例は実施例2の
低温熱交換器8と圧縮機1との間に冷却器17を介装
し、この冷却器17の冷却媒体として加圧ポンプ11と
高温熱交換器7との間の経路21の水を用いたものであ
る。
【0063】(実施例3の作用)実施例2の作用に加え
て、低温熱交換器8から出た低温・低圧の不活性ガスは
冷却器17に導かれて冷却され、さらに低温で低圧の不
活性ガスとなり、圧縮機1に導かれる。
【0064】一方、加圧ポンプ11から出た水は冷却器
17に導かれ、不活性ガスを冷却して温水となり、高温
熱交換器7に導かれる。
【0065】(実施例3の効果)実施例2の構成では、
圧縮機1の入口温度は高圧タービン4の出口温度と同程
度になる。高圧タービン4の作動流体は水蒸気であるた
め、露点以下での使用には問題があるため、ある程度の
温度以下では使用できない。したがって、圧縮機1の入
口温度は、この温度以下とはならないが、この温度は現
在の化石燃料を用いたガスタービンプラントの入口温度
を大幅に上回る。ガスタービンは圧縮機の入口温度が上
昇するほど出力が低下するという特徴を有するため、実
施例2の構成では、同じ規模では現在の化石燃料を用い
たガスタービンプラントよりも低い出力しか出せない。
【0066】実施例3によれば、ブレイトンサイクル側
の低温熱交換器8と圧縮機1との間に冷却器を介装し、
圧縮機1の入口温度を下げることにより、現在の化石燃
料を用いたガスタービンプラントと同等、またはそれ以
上の出力を得ることができる。
【0067】さらに、冷却器17での発生熱量は、加圧
ポンプ11の後の水を加熱し、さらにその結果生じる温
水は高温熱交換器7に導かれるため、系外に放出される
熱を発生させず、プラントの熱効率を低下させることは
ない。
【0068】なお、実施例3で示した方法を行うと、冷
却器17により吸収される熱量が系外に放出されてしま
うため、プラントの熱効率を低下させてしまう。そこ
で,ランキンサイクル側の作動流体、例えば復水ポンプ
下流側の水を用いて冷却することで、吸収熱の系外への
放出を防止することができる。したがって、出力上昇の
ために低下したプラント熱効率を回復または増加するこ
とができる。
【0069】また、冷却器17の冷却媒体は、燃料とし
て供給される水素や酸素、例えばこれらが液体水素や酸
素で供給された場合の気化に必要な冷熱を使用すること
によっても同じ効果が得られる。
【0070】さらに、復水器9の吸熱源として、供給さ
れる燃料(水素や酸素)、例えばこれらが液体水素や酸
素で供給された場合の気化に必要な冷熱を利用すること
により、系外に出る熱を全くなくすことができ、プラン
ト熱効率を大幅に増加することができる。
【0071】[実施例4]図4は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例4を示す構成図である。
【0072】(実施例4の構成)本実施例は実施例1の
構成に加えて、高圧タービン4の出口を分岐させ、この
分岐管23を背圧タービン2に導き、背圧タービン2の
冷却媒体として用い、低温熱交換器8の上流側で合流さ
せる経路を追加したものである。
【0073】(実施例4の作用)高圧タービン4を出た
低温・低圧の水蒸気は分岐し、背圧タービン2に導か
れ、冷却媒体として使用され、やや温度が上昇した後、
低温熱交換器8の上流側で合流する。
【0074】なお、冷却媒体として使用される蒸気は、
背圧タービン2の主流には放出されず、主流との混合が
ないため、主流ガスは混合による圧力損失を生じない。
【0075】(実施例4の効果)冷却タービンでの冷却
媒体の主流との混合は、主流ガスの圧力損失を生じさ
せ、タービンの断熱効率の低下、ひいてはプラントの熱
効率の低下を生じさせる。しかしながら、本実施例によ
れば、上記のように主流との混合を行わないため、従来
と比較してプラントの熱効率を高めることができる。
【0076】[実施例5]図5は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例5を示す構成図である。
【0077】(実施例5の構成)本実施例は実施例3に
加えて、冷却器17の上流側に酸素封入器18を設置
し、作動流体である水に酸素を溶け込ませたものであ
る。
【0078】(実施例5の作用)酸素封入器18で水に
封入された酸素は、系統や機器のスケール付着を防止す
る。さらに、高温熱交換器7で燃料13として供給され
る水素と反応し、不活性な水蒸気となる。
【0079】(実施例5の効果)このように本実施例に
よれば、スケールの付着が防止されることにより、系統
や機器で経年的に圧力損失が増加することを防止するこ
とができ、プラントの熱効率の経年的低下を防止するこ
とができる。さらに、供給された酸素は、高温熱交換器
7内で不活性な水蒸気となるため、高温酸化による機器
の劣化を防止すことができる。
【0080】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項1に
よれば、不活性ガスを作動流体としたブレイトンサイク
ルと、水素と酸素を燃焼させた結果発生する水蒸気を作
動流体としたランキンサイクルとから構成され、上記ブ
レイトンサイクルの高温熱源は、高温熱交換器によりラ
ンキンサイクル側から供給される供給熱とする一方、上
記ブレイトンサイクルの低温熱源は、低温熱交換器によ
りランキンサイクル側に吸収される吸収熱としたことに
より、冷却タービンの段落数を増加させず、さらに系内
の作動流体の一部のみを復水器に通すことにより、従来
プラントに比べてプラントの熱効率を増加させる水素燃
焼ガスタービンプラントを提供することができる。
【0081】また、水蒸気腐食による長時間運転に対す
る信頼性を従来プラントと比較して高めることができ
る。したがって、従来のプラントと比較して、熱効率を
向上させ、一段と長時間運転に対する信頼性を向上させ
ることができる。
【0082】請求項2によれば、復水ポンプから排水す
る間に分岐管を設け、この分岐管に加圧ポンプ、高温熱
交換器の順に接続してクローズドサイクルを構成したこ
とにより、ランキンサイクル側とブレイトン側の作動流
体の流量比を自由に調節することができる。これによ
り、各機器の運転点熱効率の上で最適なものに選定する
ことができ、プラントの熱効率を高めることができる。
【0083】請求項3によれば、ブレイトンサイクル側
の低温熱交換器と圧縮機との間に冷却器を介装し、圧縮
機入口の温度を下げることにより、現在の化石燃料を用
いたガスタービンプラントと同等、またはそれ以上の出
力を得ることができる。また、冷却器での発生熱量は、
加圧ポンプの後の水を加熱し、さらその結果生じる温水
は高温熱交換器に導かれるため、系外に放出される熱を
発生させず、プラントの熱効率を低下させることはな
い。
【0084】請求項4によれば、ランキンサイクル側の
作動流体、例えば高圧タービンと低温熱交換器との間の
蒸気を使用し、再びランキンサイクル側に戻すことによ
り、この混合による圧力損失を防止させることができ
る。また、主流との混合を行わないため、従来と比較し
てプラントの熱効率を高めることができる。
【0085】請求項5によれば、ランキンサイクル側の
高温熱交換器の上流側に酸素封入器を設置し、作動流体
である水に酸素を溶け込ませることにより、スケールの
付着を防止する一方、封入した酸素を高温熱交換器また
はその上流で、供給される水素と反応させることで不活
性な水蒸気に変換され、高温酸化を防止することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例1を示す構成図。
【図2】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例2を示す構成図。
【図3】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例3を示す構成図。
【図4】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例4を示す構成図。
【図5】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例5を示す構成図。
【図6】従来のガスタービンプラントの一例を示す構成
図。
【図7】従来の他のガスタービンプラントを示す構成
図。
【符号の説明】
1 圧縮機 2 背圧タービン 3 復水タービン 4 高圧タービン 5 燃焼器 6 発電機 7 高温熱交換器 8 低温熱交換器 9 復水器 10 復水ポンプ 11 加圧ポンプ 12 排水 13 燃料 14 出力軸 15 再生熱交換器 16 HRSG 17 冷却器 18 酸素封入器
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F02C 3/34 F01K 23/06 F01K 23/16 F01K 25/00 F02C 3/22

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 不活性ガスを作動流体としたブレイトン
    サイクルと、水素と酸素を燃焼させた結果発生する水蒸
    気を作動流体としたランキンサイクルとから構成され、
    上記ブレイトンサイクルの高温熱源は、高温熱交換器に
    よりランキンサイクル側から供給される供給熱とする一
    方、上記ブレイトンサイクルの低温熱源は、低温熱交換
    器によりランキンサイクル側に吸収される吸収熱とした
    ことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプラント。
  2. 【請求項2】 ブレイトンサイクル側は、圧縮機、高温
    熱交換器、背圧タービンおよび低温熱交換器の順に接続
    してクローズドサイクルを構成する一方、ランキンサイ
    クル側は、高温熱交換器、高圧タービン、低温熱交換
    器、復水タービン、復水器および復水ポンプの順に接続
    するとともに、この復水ポンプから排水する間に分岐管
    を設け、この分岐管に加圧ポンプ、上記高温熱交換器の
    順に接続してクローズドサイクルを構成したことを特徴
    とする請求項1記載の水素燃焼ガスタービンプラント。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の水素燃焼ガスタービンプ
    ラントにおいて、ブレイトンサイクル側の低温熱交換器
    と圧縮機との間に、冷却器を介装したことを特徴とする
    水素燃焼ガスタービンプラント。
  4. 【請求項4】 ブレイトンサイクル側は、圧縮機、高温
    熱交換器、背圧タービンおよび低温熱交換器の順に接続
    してクローズドサイクルを構成する一方、ランキンサイ
    クル側は、高温熱交換器、高圧タービン、低温熱交換
    器、復水タービン、復水器および復水ポンプの順に接続
    し、上記ブレイトンサイクル側の背圧タービンに必要な
    冷却媒体として、上記ランキンサイクル側の高圧タービ
    ンと低温熱交換器との間の蒸気を用い、再び上記ランキ
    ンサイクル側に戻すことを特徴とする請求項1記載の水
    素燃焼ガスタービンプラント。
  5. 【請求項5】 請求項2または3記載の水素燃焼ガスタ
    ービンプラントにおいて、ランキンサイクル側の高温熱
    交換器の上流側に酸素封入器を設置し、作動流体に酸素
    を溶け込ませたことを特徴とする水素燃焼ガスタービン
    プラント。
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